Etude de régulateurs linéaires et à découpage intégrés : Application à la téléphonie portable
Résumé
The autonomy of battery is a key point of portable Systems, such as mobile phone. First it dépends on the source of energy, and secondly in the way to manage the delivery of voltage and current as relating factors of the regulator and its yield. Of course, other criteria are compactness and cost. As a conséquence, thèse voltage regulators hâve to be integrated. The first chapter présent briefly three types of regulators. It also deals with constraints which are linked to external components and process technology. Justifying the utility to conceive the regulator in CMOS technology, the second chapter describes final design of a linear regulator (LDO, Low Drop-Out). It détails also its stability and short circuit protection. In this way, classical methods are presented in both cases. After presenting the limitations of thèse solutions on the application, a final solution is presented. It consists of a Miller , compensation depending on the output current to ensure its stability. It offers also a more powerful -< control of output intensity, in order to limit short circuit current. Simulations carried out during this i. design are validated by measurements on silicon. Switching power supplies can be used instead of the ; linear regulators. They offer the possibility to pull up the battery voltage, but require uneasily, J integratable inductive éléments. A static behavior study allows to evaluate the losses and the yield of \ the selected structure for the spécifications. The third chapter présents also stability analysis of this } solution, using a transfer function method. Finally, charge pumps are briefly presented. Also based on the switching principle, they are a compromise between the two latest principles and allow, with additional losses, to avoid the use of inductive components.
Un facteur clé des systèmes portables, tels que les téléphones mobiles, est l'autonomie de la batterie qui dépend essentiellement de la source d'énergie, mais aussi de la façon dont sont gérés la tension et le courant qu'elle délivre, facteurs relatifs au régulateur et à son rendement. Les autres critères sont bien sûr la compacité et le coût, d'où la nécessité d'intégrer ces régulateurs de tension. Le premier chapitre présente brièvement trois types de régulateurs, ainsi que les contraintes imposées par les composants externes et la technologie de fabrication. Après avoir expliqué l'utilité de passer à une réalisation en technologie CMOS, le deuxième chapitre décrit le schéma final d'un régulateur linéaire (LDO, Low Drop-out), puis détaille sa stabilité et sa protection contre les courts-circuits. Pour cela, nous expliquons dans les deux cas la méthode habituellement utilisée, nous montrons ses limites dans le cadre de notre application, puis nous développons la solution adoptée qui consiste en une compensation Miller s'adaptant au courant de sortie pour sa stabilité et en un asservissement du courant de sortie plus performant pour limiter le courant de court-circuit. Des mesures sur silicium ont permis de valider les simulations effectuées lors de cette conception. Les alimentations à découpage sont une alternative à ces régulateurs linéaires, et procurent la possibilité d'élever la tension de batterie, mais nécessitent des éléments inductifs difficilement intégrables. Une étude de comportement statique permet de déterminer les pertes et le rendement de la structure choisie pour répondre à notre cahier des charges. L'analyse de sa stabilité par sa fonction de transfert complète ce chapitre. Les systèmes à pompe de charges sont abordés de façon succincte. Egalement basés sur le principe du découpage, ils sont un compromis entre les deux précédents principes et permettent, moyennant des pertes supplémentaires, d'éviter l'utilisation des composants inductifs.